JP5752229B2 - Tool center of gravity position estimation device and machine tool - Google Patents

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Description

本発明は、工具の重心位置を推定する工具重心位置推定装置と、推定された工具重心位置を用いる工作機械に関する。   The present invention relates to a tool center-of-gravity position estimation device that estimates the center-of-gravity position of a tool, and a machine tool that uses the estimated tool center-of-gravity position.

従来、取り付けられている工具の重量に応じて工具交換装置の動作速度を変更する機能を有する工作機械が知られている。このような工作機械では、工具交換装置の動作速度を変更する機能により、最適な速度で工具交換装置の動作を行うことによって、機械への衝撃やモータの発熱を抑えつつ、十分な速度で工作機械を駆動することが可能となる。   2. Description of the Related Art Conventionally, a machine tool having a function of changing the operation speed of a tool changer according to the weight of a mounted tool is known. In such a machine tool, the function of changing the operation speed of the tool changer is used to operate the tool changer at an optimum speed, thereby suppressing the impact on the machine and the heat generation of the motor, while maintaining a sufficient speed. The machine can be driven.

また、主軸の回転時の加速度から、工具装着時の主軸のイナーシャを推定する機能を有する工作機械も知られている。このような工作機械では、主軸のイナーシャを推定する機能を有することにより、工具のイナーシャに応じて主軸の動作を適切に制御することが可能となる。   There is also known a machine tool having a function of estimating inertia of a spindle when a tool is mounted from acceleration at the time of rotation of the spindle. Such a machine tool has a function of estimating the inertia of the main spindle, so that the operation of the main spindle can be appropriately controlled according to the inertia of the tool.

従来技術として、特許文献1には、交換アーム方式の工具交換装置において、工具を把持した交換アームを回転させるのに必要な駆動トルクを検出し、この駆動トルクから工具の重量を推定して、推定された工具の重量に基づいて交換アームの動作速度を自動設定することで、工具交換時間の短縮を図る技術が開示されている。   As a conventional technique, in Patent Document 1, in a tool changing device of an exchange arm type, a driving torque necessary to rotate an exchange arm that grips a tool is detected, and a weight of the tool is estimated from the driving torque, A technique for shortening the tool changing time by automatically setting the operating speed of the changing arm based on the estimated tool weight is disclosed.

特許文献2には、主軸回転モータに一定電力を供給した際に、主軸回転速度がある設定値に到達するまでの時間を検出し、主軸のイナーシャを算出して、主軸の回転速度指令値と比較して、主軸の回転の可否の判断を行う技術が開示されている。
特許文献3には、モータへの速度磁束密度指令と、磁束密度推定値、及びモータの速度から主軸のイナーシャを推定し、推定したイナーシャに応じてモータへの出力指令値を変更する技術が開示されている。
In Patent Document 2, when constant power is supplied to the spindle rotating motor, the time until the spindle rotating speed reaches a certain set value is detected, the inertia of the spindle is calculated, and the spindle rotating speed command value and In comparison, a technique for determining whether or not the spindle can be rotated is disclosed.
Patent Document 3 discloses a technique for estimating a spindle inertia from a speed magnetic flux density command to a motor, an estimated magnetic flux density value, and a motor speed, and changing an output command value to the motor according to the estimated inertia. Has been.

特開平11−188557号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-188557 特許第3187485号公報Japanese Patent No. 3187485 特開2013−186545号公報JP 2013-186545 A

特許文献1のような、工具の重量に応じて機械の動作速度を変更する技術では、機械への衝撃やモータの発熱を抑えつつ駆動することが可能であるが、工具の重量の情報のみでは機械への衝撃やモータへの負荷を正確に推定できない場合があった。
また、特許文献2,3に開示されている技術は、主軸等のイナーシャを算出して、主軸のモータ等の動作速度を制御することが可能であるが、これについても主軸等のイナーシャの情報のみでは、機械への衝撃やモータへの負荷を正確に推定できない場合があった。
In the technique of changing the operating speed of the machine according to the weight of the tool as in Patent Document 1, it is possible to drive while suppressing the impact on the machine and the heat generation of the motor, but only with the information on the weight of the tool In some cases, the impact on the machine and the load on the motor could not be accurately estimated.
The techniques disclosed in Patent Documents 2 and 3 can calculate the inertia of the main shaft and the like to control the operation speed of the motor and the like of the main shaft. In some cases, it was not possible to accurately estimate the impact on the machine and the load on the motor.

機械への衝撃やモータへの負荷をより正確に推定するためには、工具重量やイナーシャだけではなく、工具の重心位置の情報を用いることが好ましい。しかしながら、工具の一つ一つの重心位置をユーザがあらかじめ計測したり算出したりするのは手間がかかることがあり、工作機械の動作を適切に設定する際に工具の重心位置データを使用することが困難となる場合があった。   In order to more accurately estimate the impact on the machine and the load on the motor, it is preferable to use not only the tool weight and inertia but also information on the center of gravity of the tool. However, it may be time-consuming for the user to measure and calculate the center of gravity of each tool in advance, and use the center of gravity data of the tool when setting the operation of the machine tool appropriately. May become difficult.

そこで本発明は、工作機械における工具の重心位置を推定して、工作機械の適切な動作設定に利用することが可能な工具重心位置推定装置及び工作機械を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a tool center of gravity position estimation device and a machine tool that can estimate the center of gravity position of a tool in a machine tool and can be used for setting an appropriate operation of the machine tool.

本願の請求項1に係る発明では、工具の工具イナーシャおよび工具重量データを格納するデータ格納手段と、所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、とを有することを特徴とする工具重心位置推定装置が提供される。   In the invention according to claim 1 of the present application, data storage means for storing tool inertia and tool weight data of a tool, a relational expression between shape data and tool inertia in a predetermined tool shape model, and the shape data and tool weight Relational expression storage means storing relational expressions, tool inertia and tool weight of the tool stored in the data storage means, and calculation means for calculating the value of the shape data from the relational expressions stored in the relational expression storage means A tool shape estimating means for estimating a tool shape from the value of the shape data calculated by the calculating means, and a tool center of gravity position for calculating a tool center of gravity position based on the tool shape estimated by the tool shape estimating means A tool center-of-gravity position estimation device is provided.

請求項1に係る発明によると、工具イナーシャおよび工具重量をもとに工具形状モデルにおける形状データの値を算出し、形状データの値から工具形状を推定した上で工具の重心位置を算出することにより、工作機械の動作時に加わる衝撃を、工具重量データのみから推定する場合と比較して、より正確に推定することが可能となる。   According to the first aspect of the invention, the shape data value in the tool shape model is calculated based on the tool inertia and the tool weight, and the center of gravity position of the tool is calculated after estimating the tool shape from the shape data value. Thus, it is possible to estimate the impact applied during the operation of the machine tool more accurately than in the case where the impact is estimated only from the tool weight data.

本願の請求項2に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項1に記載の工具重心位置推定装置が提供される。
請求項2に係る発明によると、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部とからなると仮定して工具形状を推定することにより、工具イナーシャおよび工具重量のデータから工具重心位置の推定が可能となる。
In the invention according to claim 2 of the present application, the tool shape model includes a common tool holder portion for each tool and a cylindrical portion having a different diameter and height for each tool. Is provided.
According to the second aspect of the present invention, the tool center of gravity position can be estimated from the tool inertia and the tool weight data by estimating the tool shape on the assumption that the tool shape model is composed of the tool holder portion and the cylindrical portion. Become.

本願の請求項3に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項1に記載の工具重心位置推定装置が提供される。
請求項3に係る発明によると、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部に加えて、刃物部も加え、工具イナーシャ、工具重量データに加えて、工具長および工具径データをもとに工具形状を推定することにより、より正確に工具形状および工具重心位置の推定が可能となる。
In the invention according to claim 3 of the present application, the tool shape model is configured by a common tool holder portion for each tool, a cylindrical portion having a different diameter and height for each tool, and a blade portion different for each tool, The tool center-of-gravity position estimation device according to claim 1, wherein a shape data value of the tool shape model is calculated based on a tool length and tool diameter data of the tool in addition to the tool inertia and the tool weight. Is provided.
According to the invention of claim 3, as a tool shape model, in addition to the tool holder part and the cylindrical part, a blade part is also added, and in addition to the tool inertia and the tool weight data, the tool is based on the tool length and the tool diameter data. By estimating the shape, the tool shape and the tool barycentric position can be estimated more accurately.

本願の請求項4に係る発明では、主軸と、該主軸を回転させる主軸モータとを備えた工作機械において、前記工作機械の前記主軸のイナーシャを格納する工作機械データ格納手段と、前記主軸モータの負荷トルクを検出するトルク検出手段と、前記主軸の回転の角加速度を検出する角加速度検出手段と、前記トルク検出手段によって検出された負荷トルクと、前記角加速度検出手段によって検出された角加速度に基づいて推定された工具の装着された主軸のイナーシャから、前記工作機械データ格納手段に格納された、工具の装着されていない主軸のイナーシャを差し引くことで、工具の工具イナーシャを推定する工具イナーシャ推定手段と、前記工具の工具重量データおよび前記工具イナーシャを格納するデータ格納手段と、所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、とを有することを特徴とする工作機械が提供される。   In the invention according to claim 4 of the present application, in a machine tool comprising a spindle and a spindle motor that rotates the spindle, machine tool data storage means for storing inertia of the spindle of the machine tool, and the spindle motor Torque detection means for detecting load torque, angular acceleration detection means for detecting angular acceleration of rotation of the spindle, load torque detected by the torque detection means, and angular acceleration detected by the angular acceleration detection means Tool inertia estimation for estimating the tool inertia of the tool by subtracting the inertia of the spindle with no tool stored in the machine tool data storage means from the inertia of the spindle with the tool estimated based on Means, data storage means for storing the tool weight data of the tool and the tool inertia, and a predetermined tool shape Relational expression storage means for storing a relational expression between shape data and tool inertia in the model and relational expression between the shape data and tool weight, tool inertia and tool weight of the tool stored in the data storage means, and the relation Calculation means for calculating the value of the shape data from the relational expression stored in the expression storage means, tool shape estimation means for estimating a tool shape from the value of the shape data calculated by the calculation means, and the tool shape estimation There is provided a machine tool comprising tool center of gravity position calculating means for calculating the center of gravity position of the tool based on the tool shape estimated by the means.

請求項4に係る発明によると、主軸モータの負荷トルクと主軸の角加速度から、工具イナーシャを推定することにより、工具イナーシャデータを直接入力することなく、工具形状や工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。   According to the invention of claim 4, by estimating the tool inertia from the load torque of the spindle motor and the angular acceleration of the spindle, the tool shape and the position of the center of gravity of the tool can be estimated without directly inputting the tool inertia data. A machine tool can be provided.

本願の請求項5に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項4に記載の工作機械が提供される。
請求項5に係る発明によると、工具の工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部とからなると仮定して工具形状を推定することにより、工具イナーシャおよび工具重量のデータから工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。
In the invention according to claim 5 of the present application, the tool shape model is composed of a common tool holder portion for each tool and a cylindrical portion having a different diameter and height for each tool. Is provided.
According to the fifth aspect of the present invention, the tool center of gravity position can be estimated from the tool inertia and the tool weight data by estimating the tool shape on the assumption that the tool shape model of the tool includes a tool holder portion and a cylindrical portion. Possible machine tools can be provided.

本願の請求項6に係る発明では、前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項4に記載の工作機械が提供される。
請求項6に係る発明によると、工具の工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部に加えて、刃物部も加え、工具イナーシャ、工具重量データに加えて、工具長および工具径データをもとに工具形状を推定することにより、より正確に工具形状および工具重心位置の推定が可能な工作機械を提供可能となる。
In the invention according to claim 6 of the present application, the tool shape model is configured by a common tool holder portion for each tool, a cylindrical portion having a different diameter and height for each tool, and a blade portion different for each tool, The machine tool according to claim 4, wherein a value of shape data of the tool shape model is calculated based on tool length and tool diameter data of the tool in addition to the tool inertia and the tool weight. The
According to the invention according to claim 6, as a tool shape model of the tool, in addition to the tool holder part and the cylindrical part, a blade part is also added, and in addition to the tool inertia and the tool weight data, the tool length and the tool diameter data are used. By estimating the tool shape, it is possible to provide a machine tool capable of more accurately estimating the tool shape and the tool barycentric position.

本願の請求項7に係る発明では、前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、前記工具形状推定手段により推定した工具形状を、前記識別符号と対応させて格納する、工具形状データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械が提供される。
請求項7に係る発明によると、工具に互いに識別可能な識別符号を付与して、工具形状を推定して識別符号と対応させることにより、工具の識別符号ごとの工具形状データの作成が可能となる。
In the invention according to claim 7 of the present application, in a machine tool including a tool magazine capable of holding a plurality of tools attached to and detached from the main shaft in the tool gripping portion, the tool gripping portion has an identification code that can be distinguished from each other. The tool shape data storage means for storing the tool shape estimated by the tool shape estimation means in correspondence with the identification code is provided. Is provided.
According to the seventh aspect of the invention, it is possible to create tool shape data for each tool identification code by assigning identification codes that can be distinguished from each other to the tool, estimating the tool shape, and making the tool correspond to the identification code. Become.

本願の請求項8に係る発明では、前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、前記工具重心位置算出手段により算出した工具の重心位置を、前記識別符号と対応させて格納する、工具重心位置データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械が提供される。
請求項8に係る発明によると、工具重心位置を推定して工具の識別符号と対応させることにより、工具の識別符号ごとの工具重心位置データの作成が可能となり、この工具重心位置データをもとに工具交換装置の動作を適切に設定することが可能となる。
In the invention according to claim 8 of the present application, in the machine tool provided with a tool magazine capable of holding a plurality of tools attached to and detached from the main shaft in the tool gripping portion, the tool gripping portion can be distinguished from each other. 7. A tool barycentric position data storing unit for storing the barycentric position of the tool calculated by the tool barycentric position calculating unit in correspondence with the identification code. A machine tool according to any one of the above is provided.
According to the eighth aspect of the present invention, the tool gravity center position data can be created for each tool identification code by estimating the tool gravity position and making it correspond to the tool identification code. Thus, the operation of the tool changer can be set appropriately.

本願の請求項9に係る発明では、前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法の範囲を超えている場合に、メッセージを表示するメッセージ表示機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械が提供される。
請求項9に係る発明によると、工具形状推定手段により推定した工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法を超えている場合にメッセージを表示したり、アラームを発生させることにより、工具の干渉や機械の故障を未然に防ぐことが可能となる。
In the invention according to claim 9 of the present application, a message display function for displaying a message or a warning is generated when the tool shape estimated by the tool shape estimating means exceeds a predetermined limit dimension range. 7. A machine tool according to claim 4, wherein the machine tool has an alarm function.
According to the invention of claim 9, when the tool shape estimated by the tool shape estimating means exceeds a predetermined limit dimension, a message is displayed or an alarm is generated, whereby tool interference or machine It is possible to prevent a malfunction.

本願の請求項10に係る発明では、前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状と、前記データ格納手段に格納されている前記工具の前記工具重量データおよび前記工具イナーシャとを比較する工具形状比較手段と、前記工具形状比較手段による比較結果の差異が一定以上の場合にメッセージを表示するメッセージ機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械が提供される。   In the invention which concerns on Claim 10 of this application, the tool shape comparison which compares the said tool shape estimated by the said tool shape estimation means, the said tool weight data of the said tool stored in the said data storage means, and the said tool inertia And a message function for displaying a message or a warning function for generating a warning when the difference between the comparison results by the tool shape comparison means is greater than a certain value. A machine tool as described is provided.

請求項10に係る発明によると、工具形状を推定した際に、データ格納手段に格納されている、前回推定時の工具形状からの変化をユーザに知らせることにより、工具の変更の有無をユーザに確認して、工具や工作機械に何らかの異常があることをユーザに知らせることが可能となる。   According to the invention of claim 10, when the tool shape is estimated, the user is informed of the change of the tool by notifying the user of the change from the tool shape at the previous estimation stored in the data storage means. It is possible to confirm and inform the user that there is some abnormality in the tool or machine tool.

本発明により、工作機械における工具の重心位置を推定して、工作機械の適切な動作設定に利用することが可能な工具重心位置推定装置及び工作機械を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a tool center-of-gravity position estimation device and a machine tool that can estimate the center-of-gravity position of a tool in a machine tool and can be used for setting an appropriate operation of the machine tool.

本発明の実施形態で用いられる工具の概略図である。It is the schematic of the tool used by embodiment of this invention. 本発明の実施形態における工具形状モデルを示した図である。It is the figure which showed the tool shape model in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における別の工具形状モデルを示した図である。It is the figure which showed another tool shape model in embodiment of this invention. 本発明の実施形態における工作機械の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the machine tool in embodiment of this invention. 本発明が適用される旋回式の工具マガジンを備えた工具交換装置を示した図である。It is the figure which showed the tool change apparatus provided with the turning-type tool magazine to which this invention is applied.

以下、本発明の一実施形態を図面と共に説明する。
まず、工具のイナーシャと工具重量をもとに工具形状を推定し、重心位置を算出する方法について説明する。図1は、いくつかの種類の工具の概略図を示しており、図1(a)はミリング工具11、図1(b)はドリル工具12、図1(c)はフライス工具13を示している。いずれの工具もほぼ同一の形状の工具ホルダ部14を備えている。また、ミリング工具11及びドリル工具12の先端部には、刃物部16が装着されている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a method for estimating the tool shape based on the tool inertia and the tool weight and calculating the position of the center of gravity will be described. FIG. 1 shows a schematic view of several types of tools, FIG. 1 (a) shows a milling tool 11, FIG. 1 (b) shows a drill tool 12, and FIG. 1 (c) shows a milling tool 13. Yes. All the tools are provided with a tool holder portion 14 having substantially the same shape. Further, a blade portion 16 is attached to the tip portions of the milling tool 11 and the drill tool 12.

ここで、工具ホルダ部14に装着される部位は、工具の種類によって高さや幅が異なるものの、ミリング工具11、ドリル工具12における刃物部16装着部分や、フライス工具13については、いずれも略円柱形状となっていることが多い(以下、この部分を円柱部15とする)。また、ミリング工具11、ドリル工具12における刃物部16は、重量及び回転軸周りのイナーシャが、その他の部分に比べてかなり小さいことから、おおまかに工具重心位置を推定する際には、無視して計算することが可能である。   Here, although the part mounted on the tool holder part 14 is different in height and width depending on the type of tool, the milling tool 11 and the cutting tool part 16 in the drill tool 12 and the milling tool 13 are both substantially cylindrical. Often has a shape (hereinafter, this portion is referred to as a cylindrical portion 15). In addition, the blade portion 16 in the milling tool 11 and the drill tool 12 has a weight and inertia around the rotation axis that are considerably smaller than the other portions. Therefore, when roughly estimating the position of the center of gravity of the tool, ignore it. It is possible to calculate.

そうすると、図1に示されているミリング工具11、ドリル工具12、フライス工具13は、いずれも図2に示されているような工具ホルダ21と円柱部22とからなる工具形状モデルとして考えることができる。   Then, the milling tool 11, the drill tool 12, and the milling tool 13 shown in FIG. 1 can all be considered as a tool shape model including the tool holder 21 and the cylindrical portion 22 as shown in FIG. it can.

次に、この工具形状モデルを用いて、工具の形状を推定する。
円柱部22の密度をρ、半径をr、高さをhとすると、円柱部22の重量M、回転軸周りのイナーシャIは以下のとおりとなる。
Next, the tool shape is estimated using the tool shape model.
When the density of the cylindrical portion 22 is ρ, the radius is r, and the height is h, the weight M c of the cylindrical portion 22 and the inertia I c around the rotation axis are as follows.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

また、工具全体の重量をM、回転軸周りのイナーシャをIとし、工具ホルダ部21の重量をM、回転軸周りのイナーシャをIとすると、MとIは以下のとおりとなる。 Moreover, the weight of the entire tool M, the inertia around the rotation axis is I, weight M t of the tool holder section 21, the inertia around the rotation axis when the I t, M and I is as follows.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

ここで、工具ホルダ部21は共通部分であるため、詳細な寸法および重量を測定しておくことにより、M、Iの値をあらかじめ定めておくことが可能である。
これらの式から、rとhは以下のとおり求められる。
Since the tool holder unit 21 is a common part, by previously measuring the detailed dimensions and weight, it is possible to determine in advance the value of M t, I t.
From these equations, r and h are obtained as follows.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

このようにして、円柱部22のrとhを求めて、工具の形状を推定することが可能である。なお、ここでは工具の円柱部22の密度ρが既知であるものとして工具形状の推定を行ったが、密度ρが不明である場合には、工具の高さhとして、実際の工具の高さ等を用いて既知であるものとして、rおよびρの算出を行うことも可能である。   In this way, it is possible to estimate the shape of the tool by obtaining r and h of the cylindrical portion 22. Here, the tool shape is estimated on the assumption that the density ρ of the cylindrical portion 22 of the tool is known. However, when the density ρ is unknown, the actual tool height is set as the tool height h. It is also possible to calculate r and ρ as known by using.

次に、このようにして推定した工具形状から、工具の重心位置を推定する。
工具のプルスタッド先端から、工具ホルダ部21の重心までの距離をG、工具のプルスタッド先端から、円柱部22の重心までの距離をGとすると、工具ホルダ部21と円柱部22とを合わせた工具全体の重心までの距離Gは、以下の式で求められる。
Next, the center of gravity position of the tool is estimated from the tool shape estimated in this way.
If the distance from the tip end of the pull stud of the tool to the center of gravity of the tool holder portion 21 is G t , and the distance from the tip end of the pull stud of the tool to the center of gravity of the cylindrical portion 22 is G c , the tool holder portion 21 and the cylindrical portion 22 The distance G to the center of gravity of the entire tool is calculated by the following formula.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

ここで、工具ホルダ部21はすべての工具で共通としており、共通の値として、Gの値をあらかじめ定められているものとする。また、円柱部22の重心位置G、重量Mについては、工具ホルダ部21の長さをhとすると、以下のとおりとなる。 Here, the tool holder 21 is for the same for all tools, as a common value, and what is predetermined value of G t. The center of gravity G c of the cylindrical portion 22, the weight M c is the length of the tool holder 21 when the h t, becomes as follows.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

これにより、推定した工具形状をもとに、工具全体の重心位置を推定することが可能となる。   This makes it possible to estimate the center of gravity position of the entire tool based on the estimated tool shape.

以上の方法では、工具全体の重心位置の推定方法として、工具の刃物部の形状を無視して工具形状の推定を行ったが、工具重量と工具イナーシャに加えて、刃物部の径である工具径と刃物部の先端までの長さである工具長のデータがある場合には、刃物部を含めたモデルを用いることにより、さらに正確な工具全体の重心位置の推定を行うことが可能となる。   In the above method, as the estimation method of the center of gravity position of the entire tool, the tool shape was estimated by ignoring the shape of the tool blade part. In addition to the tool weight and the tool inertia, the tool diameter is the tool part diameter. When there is data on the tool length, which is the diameter and the length to the tip of the blade part, it is possible to estimate the center of gravity of the entire tool more accurately by using a model including the blade part. .

この場合には、図3に示されている工具形状モデルを用いて、工具全体の重心位置の推定する。
刃物部33の重量M、回転軸周りのイナーシャIは、刃物部33の径をR、工具長をLとすると、以下のとおりとなる。
In this case, the center of gravity position of the entire tool is estimated using the tool shape model shown in FIG.
The weight M k of the blade part 33 and the inertia I k around the rotation axis are as follows, where R is the diameter of the blade part 33 and L is the tool length.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

そして、これらの重量M、回転軸周りのイナーシャIを用いて、MとIは以下のとおりとなる。 Then, using these weights M k and inertia I k around the rotation axis, M and I are as follows.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

こうして求められたM,Iの値を用い、図2の工具形状モデルの場合と同様に、h,rを求めることにより、工具形状の推定を行い、工具の各部分の重心位置と重量を求めて、工具全体の重心位置を推定することが可能となる。
このように、工具の重心位置を推定する装置を用いることにより、工具イナーシャと工具重量などの基本的なデータから工具の重心位置を推定することが可能となる。
As in the case of the tool shape model of FIG. 2, using the values of M and I thus obtained, the tool shape is estimated by obtaining h and r, and the center of gravity and weight of each part of the tool are obtained. Thus, the center of gravity position of the entire tool can be estimated.
Thus, by using the device for estimating the center of gravity position of the tool, the center of gravity position of the tool can be estimated from basic data such as the tool inertia and the tool weight.

また、この工具重心位置推定装置を工作機械に取り付けた場合には、工具イナーシャを入力する代わりに、主軸モータのトルクと角速度とから工具イナーシャの値を推定することが可能となる。次に、この工具イナーシャの推定方法について説明する。   Further, when this tool center-of-gravity position estimation device is attached to a machine tool, the value of the tool inertia can be estimated from the torque and angular velocity of the spindle motor instead of inputting the tool inertia. Next, a method for estimating the tool inertia will be described.

図4は、工作機械の一例を示した図であり、41は工具、42は主軸、43は主軸モータ、44は主軸回転軸である。主軸42に工具41を装着し、主軸モータ43によって回転させることによって加工を行っている。
まず、主軸42回転時の、主軸モータ43のトルクTと角速度αとから、主軸42周りの工具41のイナーシャを推定する。主軸42単体のイナーシャをIs、工具のイナーシャをIとすると、次の式が成り立つ。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a machine tool, in which 41 is a tool, 42 is a main shaft, 43 is a main shaft motor, and 44 is a main shaft rotating shaft. A tool 41 is mounted on the main shaft 42 and is processed by being rotated by a main shaft motor 43.
First, the inertia of the tool 41 around the spindle 42 is estimated from the torque T and the angular velocity α of the spindle motor 43 when the spindle 42 rotates. When the inertia of the main spindle 42 is Is and the inertia of the tool is I, the following equation is established.

Figure 0005752229
Figure 0005752229

Figure 0005752229
Figure 0005752229

このようにして、工具41の主軸42周りのイナーシャを推定することができる。
主軸モータ43と主軸42との間に減速機能を持つ工作機械においても、主軸モータ43のトルクに減速比を積算することによって、主軸に加わるトルクを求めることができ、このトルクの値を用いて、工具イナーシャの推定を行うことが可能である。
In this way, the inertia around the main axis 42 of the tool 41 can be estimated.
Even in a machine tool having a speed reducing function between the main shaft motor 43 and the main shaft 42, the torque applied to the main shaft can be obtained by integrating the reduction ratio to the torque of the main shaft motor 43, and the value of this torque is used. It is possible to estimate the tool inertia.

このようにして推定された工具形状や工具重心位置は、一例として以下のように用いることで、工作機械の動作を適切に設定することが可能となる。
図5は、旋回式の工具マガジンを備えた工具交換装置であり、51は工具マガジン、52は工具マガジン51に装着された工具、53は工具52を把持可能な工具把持部53である。工具マガジン51に装着される工具52については、あらかじめ、これまで説明した推定方法によって、工具形状や工具重心位置を推定しておき、工具52が把持される工具マガジン51の工具把持部53に付与された工具番号と対応させて、工具形状データや工具重心位置データとして格納しておく。
By using the tool shape and the tool center of gravity estimated in this way as follows as an example, the operation of the machine tool can be set appropriately.
FIG. 5 shows a tool changer provided with a swivel type tool magazine, in which 51 is a tool magazine, 52 is a tool mounted on the tool magazine 51, and 53 is a tool gripper 53 that can grip the tool 52. For the tool 52 to be mounted on the tool magazine 51, the tool shape and the center of gravity position of the tool are estimated in advance by the estimation method described so far and applied to the tool gripping portion 53 of the tool magazine 51 where the tool 52 is gripped. The tool shape data and the tool center-of-gravity position data are stored in correspondence with the tool numbers.

そして、格納された各工具52の工具形状データや工具重心位置データと、各工具52の重量、工具マガジン51の旋回中心から工具重心位置までの距離をもとに、旋回軸周りのイナーシャを算出することが可能となる。旋回軸周りのイナーシャに応じて工具マガジン51の旋回速度を変更することによって、工具52の脱落を防止しつつ、十分な速度で工具マガジン51を旋回させることが可能となる。   Based on the stored tool shape data and tool gravity center position data of each tool 52, the weight of each tool 52, and the distance from the turning center of the tool magazine 51 to the tool gravity center position, the inertia around the turning axis is calculated. It becomes possible to do. By changing the turning speed of the tool magazine 51 according to the inertia around the turning axis, the tool magazine 51 can be turned at a sufficient speed while preventing the tool 52 from falling off.

また、工具重心位置推定装置によって工具の形状を推定するにあたっては、あらかじめ工具の形状として許容される範囲を定めておき、推定された工具の形状が範囲を超えた場合には、図示しない表示装置によって工具の形状が所定範囲を外れている旨を知らせるメッセージを表示させたり、図示しないランプやスピーカから、光や音によって警告を出すようにすることも可能である。これにより、所定の範囲を超えた工具を無理に動作させることによって、周囲との干渉が生じたり、干渉により機械の故障が生じることを未然に防止したり、工具や機械の異常を早期に発見することが可能となる。   Further, in estimating the tool shape by the tool center-of-gravity position estimation device, a range allowed as the tool shape is determined in advance, and when the estimated tool shape exceeds the range, a display device (not shown) It is also possible to display a message notifying that the shape of the tool is out of the predetermined range, or to issue a warning by light or sound from a lamp or speaker (not shown). This makes it possible to prevent the occurrence of interference with the surroundings or machine failure due to interference by forcibly operating a tool beyond the specified range, or to detect abnormalities in the tool or machine at an early stage. It becomes possible to do.

さらに、あらかじめ工具の形状として許容される範囲を定めておき、推定された工具の形状が範囲を超えた場合に代えて、前回推定されて格納されている工具形状データや工具重心位置データと、今回推定された工具形状データや工具重心位置データとの間で許容範囲以上の差異が生じている場合に、図示しない表示装置によって工具の形状が所定範囲を外れている旨を知らせるメッセージを表示させたり、図示しないランプやスピーカから、光や音によって警告を出すようにすることも可能である。この場合においても、所定の範囲を超えた工具を無理に動作させることによって、周囲との干渉が生じたり、干渉により機械の故障が生じることを未然に防止したり、工具や機械の異常を早期に発見することが可能となる。   Furthermore, by predetermining the allowable range as the shape of the tool, in place of the estimated tool shape exceeds the range, tool shape data and tool centroid position data stored and estimated last time, When there is a difference exceeding the allowable range between the estimated tool shape data and the tool center-of-gravity position data, a message notifying that the tool shape is out of the specified range is displayed on a display device (not shown). It is also possible to issue a warning by light or sound from a lamp or speaker (not shown). Even in this case, by forcibly operating a tool that exceeds the specified range, it is possible to prevent interference with the surroundings, machine failure due to interference, or early failure of the tool or machine. It will be possible to discover.

本実施形態においては、工具形状モデルとして、工具ホルダ部と円柱部からなるもの、および工具ホルダ部と円柱部と刃物部からなるものの2種類について説明したが、本発明で用いる工具形状モデルとしては、この2種類に限らず、適宜変形することも可能である。例えば、使用しうる工具が限られている場合などには、共通部の割合の高い工具形状モデルを用いることにより、より正確な工具重心位置の推定が可能となる。   In the present embodiment, two types of tool shape models, that is, a tool holder part and a cylindrical part, and a tool holder part, a cylindrical part, and a cutter part have been described. However, as a tool shape model used in the present invention, However, the present invention is not limited to these two types and can be modified as appropriate. For example, when the tools that can be used are limited, it is possible to estimate the center of gravity of the tool more accurately by using a tool shape model having a high ratio of common parts.

11 ミリング工具
12 ドリル工具
13 フライス工具
14 工具ホルダ部
15 円柱部
16 刃物部
21 工具ホルダ部
22 円柱部
31 工具ホルダ部
32 円柱部
33 刃物部
41 工具
42 主軸
43 主軸モータ
51 工具マガジン
52 工具
53 工具把持部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Milling tool 12 Drill tool 13 Milling tool 14 Tool holder part 15 Cylinder part 16 Cutter part 21 Tool holder part 22 Cylinder part 31 Tool holder part 32 Cylinder part 33 Cutter part 41 Tool 42 Spindle 43 Spindle motor 51 Tool magazine 52 Tool 53 Tool Grip part

Claims (10)

工具の工具イナーシャおよび工具重量データを格納するデータ格納手段と、
所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、
前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、
とを有することを特徴とする工具重心位置推定装置。
Data storage means for storing tool inertia and tool weight data of the tool;
Relational expression storage means for storing a relational expression between shape data and tool inertia in a predetermined tool shape model and a relational expression between the shape data and tool weight;
Calculation means for calculating the value of the shape data from the tool inertia stored in the data storage means and the tool weight, and the relational expression stored in the relational expression storage means;
Tool shape estimating means for estimating a tool shape from the value of the shape data calculated by the calculating means;
Based on the tool shape estimated by the tool shape estimating means, a tool center-of-gravity position calculating means for calculating the center-of-gravity position of the tool,
A tool center-of-gravity position estimation device comprising:
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項1に記載の工具重心位置推定装置。   The tool center-of-gravity position estimating apparatus according to claim 1, wherein the tool shape model is configured by a tool holder part common to each tool and a cylindrical part having a different diameter and height for each tool. 前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、
前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項1に記載の工具重心位置推定装置。
The tool shape model is composed of a tool holder part common to each tool, a cylindrical part having a different diameter and height for each tool, and a blade part different for each tool,
The tool center-of-gravity position estimation device according to claim 1, wherein a shape data value of the tool shape model is calculated based on a tool length and tool diameter data of the tool in addition to the tool inertia and the tool weight. .
主軸と、該主軸を回転させる主軸モータとを備えた工作機械において、
前記工作機械の前記主軸のイナーシャを格納する工作機械データ格納手段と、
前記主軸モータの負荷トルクを検出するトルク検出手段と、
前記主軸の回転の角加速度を検出する角加速度検出手段と、
前記トルク検出手段によって検出された負荷トルクと、前記角加速度検出手段によって検出された角加速度に基づいて推定された工具の装着された主軸のイナーシャから、前記工作機械データ格納手段に格納された、工具の装着されていない主軸のイナーシャを差し引くことで、工具の工具イナーシャを推定する工具イナーシャ推定手段と、
前記工具の工具重量データおよび前記工具イナーシャを格納するデータ格納手段と、
所定の工具形状モデルにおける形状データと工具イナーシャとの関係式および前記形状データと工具重量との関係式を記憶した関係式記憶手段と、
前記データ格納手段に格納された工具の工具イナーシャおよび工具重量と、前記関係式記憶手段に記憶した前記関係式から前記形状データの値を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記形状データの値から工具形状を推定する工具形状推定手段と、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状に基づいて、工具の重心位置を算出する工具重心位置算出手段、
とを有することを特徴とする工作機械。
In a machine tool provided with a spindle and a spindle motor that rotates the spindle,
Machine tool data storage means for storing inertia of the spindle of the machine tool;
Torque detecting means for detecting a load torque of the spindle motor;
Angular acceleration detecting means for detecting angular acceleration of rotation of the main shaft;
Stored in the machine tool data storage means from the load torque detected by the torque detection means and the inertia of the spindle on which the tool is mounted estimated based on the angular acceleration detected by the angular acceleration detection means, Tool inertia estimating means for estimating the tool inertia of the tool by subtracting the inertia of the spindle on which no tool is mounted;
Data storage means for storing the tool weight data of the tool and the tool inertia;
Relational expression storage means for storing a relational expression between shape data and tool inertia in a predetermined tool shape model and a relational expression between the shape data and tool weight;
Calculation means for calculating the value of the shape data from the tool inertia stored in the data storage means and the tool weight, and the relational expression stored in the relational expression storage means;
Tool shape estimating means for estimating a tool shape from the value of the shape data calculated by the calculating means;
Based on the tool shape estimated by the tool shape estimating means, a tool center-of-gravity position calculating means for calculating the center-of-gravity position of the tool,
A machine tool characterized by comprising:
前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径および高さが異なる円柱部とから構成されることを特徴とする請求項4に記載の工作機械。   5. The machine tool according to claim 4, wherein the tool shape model includes a tool holder portion common to each tool and a cylindrical portion having a diameter and a height different for each tool. 前記工具形状モデルは、工具ごとに共通の工具ホルダ部と、工具ごとに径及び高さが異なる円柱部と、工具ごとに異なる刃物部とから構成され、
前記工具イナーシャ及び前記工具重量に加え、前記工具の工具長および工具径データを基に前記工具形状モデルの形状データの値を算出することを特徴とする請求項4に記載の工作機械。
The tool shape model is composed of a tool holder part common to each tool, a cylindrical part having a different diameter and height for each tool, and a blade part different for each tool,
The machine tool according to claim 4, wherein a value of shape data of the tool shape model is calculated based on a tool length and tool diameter data of the tool in addition to the tool inertia and the tool weight.
前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、
前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、
前記工具形状推定手段により推定した工具形状を、前記識別符号と対応させて格納する、工具形状データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械。
In a machine tool provided with a tool magazine capable of holding a plurality of tools attached to and detached from the spindle in a tool gripping part,
The tool gripper is provided with an identification code that can be distinguished from each other,
The machine tool according to any one of claims 4 to 6, further comprising tool shape data storage means for storing the tool shape estimated by the tool shape estimation means in association with the identification code. .
前記主軸に対して着脱される複数の工具を工具把持部において保持可能な工具マガジンを備えた工作機械において、
前記工具把持部には互いに識別可能な識別符号が付与されており、
前記工具重心位置算出手段により算出した工具の重心位置を、前記識別符号と対応させて格納する、工具重心位置データ格納手段を備えたことを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械。
In a machine tool provided with a tool magazine capable of holding a plurality of tools attached to and detached from the spindle in a tool gripping part,
The tool gripper is provided with an identification code that can be distinguished from each other,
The tool center-of-gravity position data storage means for storing the center-of-gravity position of the tool calculated by the tool center-of-gravity position calculating means in association with the identification code is provided. The machine tool described.
前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状が、あらかじめ定められた制限寸法の範囲を超えている場合に、メッセージを表示するメッセージ表示機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械。   A message display function for displaying a message or an alarm function for generating a warning when the tool shape estimated by the tool shape estimating means exceeds a predetermined limit size range. Item 7. The machine tool according to any one of Items 4 to 6. 前記工具形状推定手段により推定した前記工具形状と、前記データ格納手段に格納されている前記工具の前記工具重量データおよび前記工具イナーシャとを比較する工具形状比較手段と、
前記工具形状比較手段による比較結果の差異が一定以上の場合にメッセージを表示するメッセージ機能あるいは警告を発生するアラーム機能を有することを特徴とする請求項4乃至6の何れか1つに記載の工作機械。
Tool shape comparison means for comparing the tool shape estimated by the tool shape estimation means with the tool weight data of the tool stored in the data storage means and the tool inertia;
The machine tool according to any one of claims 4 to 6, further comprising a message function for displaying a message or a warning function for generating a warning when the difference in the comparison result by the tool shape comparison means is a predetermined value or more. machine.
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